CN113564441A - 一种具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有超弹性的Fe‑Ni‑Co‑Al‑W合金及其制备方法,该超弹性合金各主元成分按原子百分比含量如下:Ni 28~40%,Co 10~20%,Al 10~16%和W 1~10%,以及一些不可避免的杂质,其余为Fe,总含量100%。一种Fe‑Ni‑Co‑Al‑W超弹性合金及其制备方法:对Fe‑Ni‑Co‑Al‑W合金进行熔炼、变形、热处理工艺处理。其中变形工艺包括热轧和冷轧;热处理工艺包括固溶和时效处理。本发明工艺简单、易于操作,可用于不同形状Fe‑Ni‑Co‑Al‑W超弹性合金其制备;本发明还有利于控制纳米析出相的析出量和大小,易于得到具有优良超弹性和阻尼性能的超弹性合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金及其制备方法,属于铁基超弹性合金材料技术领域。
背景技术
一般情况下,金属材料在外力作用下发生变形,当变形量在弹性阶段内时,卸载后,材料可恢复原始状态;而当变形量大于弹性阶段时,材料发生永久塑性变形,外力去除后,材料无法恢复到变形前的状态,金属材料的弹性应变通常被限制在0.2%左右。然而,有一类特殊的金属材料虽然变形量明显大于其弹性阶段,通过在Af点以上对合金进行加载,合金会因发生应力诱发的马氏体相变而产生一定的应变,当载荷卸除时,应变产生回复。这类金属材料称为超弹性合金。
超弹性合金在航空航天材料、船舶减震材料和嵌入式外科医学材料等方面有着重要的应用。目前发展较为成熟的超弹性合金主要有Cu基、Ti基和Fe基超弹性合金。其中Cu基和 Ti基超弹性合金已经拥有几十年丰富的发展历程,而相对于性能和成本都更加优异的Fe基超弹性合金则是从本世纪开始被人们发现并加以研究。
Fe基超弹性合金的马氏相变分为三类:一类是由面心立方的γ转变为体心正方的薄片状马氏体α′;一类是由面心立方的γ转变为密排六方结构的ε马氏体;还有一类是面心立方的γ转变为面心四方结构马氏体。因此可以将Fe基形状记忆合金分为三类:Fe-Pt系;Fe-Mn-Si系;Fe-Ni系。
2010年,Tanaka等报道出Fe-28Ni-17Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B(at%)形状记忆合金具有热弹性马氏体相变,并且具有高超弹性应变、高硬度、高强度、高阻尼性能和良好的冷加工性能,其最大可回复应变高达13.5%。根据铁基超弹性合金的发展历程,可以看出,业界努力通过调控成分或优化工艺得到热弹性马氏体相变而致力于得到大的室温超弹性应变。本发明区别于Fe-Ni-Co-Al-Ta-B超弹性合金的地方在于通过在Fe-Ni-Co-Al系合金中添加W来促进纳米析出相的形成,从而在合理的热处理工艺下获得热弹性马氏体相变,进而在合金工作过程当中通过应力诱发马氏体相变实现超弹性。
公开号CN 103509988 A的发明专利申请公开了一种具有超弹性的多晶Fe-Ni-Co-Al-Nb-B 形状记忆合金及其制备方法。该合金的原子百分含量为:Fe 30~50%、Ni 28~40%、Co 10~30%、 Al 8~15%、Nb 1~4%和B 0.1~3%。该发明得到的形状记忆合金最大可回复应变量可达10.5%,具有优良的超弹性。本发明在成分上与该发明不同,并且没有添加抑制β相析出的B元素。本发明依靠元素Mo为析出相促进元素,显著提高了FeNiCoAl基合金的超弹性,也让其强度、塑性和可加工性能有所改善。该合金在热轧后先进行了固溶,然后水淬,再进行了冷轧,这与本发明的热处理工艺顺序不同。
发明内容
发明目的:提出一种超弹性优良的铁基超弹性合金及其制备方法。
技术方案:本发明提出一种超弹性优良的铁基超弹性合金Fe-Ni-Co-Al-W,该超弹性合金各主元成分按原子百分比含量如下:Ni 28~40%,Co 10~20%,Al 10~16%和W1~10%,以及一些不可避免的杂质,其余为Fe,总含量100%。本发明提出了一种制备上述铁基超弹性合金的方法,该制备方法包括了熔炼、均匀化、轧制、固溶和时效处理工艺。
发明原理:本发明的铁基超弹性合金通过添加W元素来促进FeNiCoAl基合金的晶内析出纳米相以强化基体,使该超弹性合金在使用过程当中发生热弹性马氏体相变。并且W元素的加入增强了合金的延展性,从而提高了可恢复应变和超弹性,综合力学性能表现良好。
上述Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金的制备方法,其特征在于该方法包含以下制备工艺:
(1)选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钨,按照原子百分比含量Ni 28~40%,Co 10~20%,Al 10~16%和W1~10%,以及一些不可避免的杂质,其余为Fe,总含量100%,进行配料。熔炼成型过程在真空或惰性气体保护中进行。熔炼过程当中需要将金属溶液充分混合以保证成分足够均匀。
(2)将铸件加热到900~1300℃保温1~10h以进行均匀化。
(3)轧制过程首先在前述均匀化的温度下进行变形量0%~70%的热轧,待冷却至室温后再进行变形量≥80%的冷轧。
(4)轧制后的材料在800~1300℃下固溶处理0~20h,待冷却到室温后再在500~700℃时效处理0.5~100h。
有益效果:本发明对各合金元素进行了合理的成分配比,能使合金母相具有面心立方结构,能够很好的产生热弹性马氏体相变,能促使合金母相中析出有序的沉淀析出相,增加合金的强度和超弹性,还能有效的改善合金延展性。通过合理的轧制过程来获得强织构来增加合金的强度和超弹性。通过合适的固溶时效处理来提高奥氏体母相的强度,降低应力诱发马氏体相变的临界应力和减少不可回复形变,从而得到具有超弹性和高强度的铁基超弹性合金。
附图说明
图1是本发明的Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金时效40h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线;
图2是本发明的Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金时效40h后利用光学显微镜观察到的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钨,按照原子百分比含量Fe 42%、Ni 30%、Co 15%、Al 10%、W 3%进行配料,采用真空非自耗电弧炉在氩气保护下进行熔炼,熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀,熔炼过程中将合金反复熔炼5次,最后进行吸铸成柱状件。将铸件加热到1200℃均匀化2h后水冷,在室温下从 20mm热轧至2mm。将轧制后的试样600℃时效40h后水冷。
本实例中制得的多晶Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金在室温下加载-卸载所得的应力-应变曲线见图1。从图1所示的应力-应变曲线当中可以看出,该成分的多晶Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金在室温下具有1.1%的可回复应变量。
本发明公开一种Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金及其制备方法,属于合金材料及其制备技术领域,目的在于提供一种Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金及其制备方法。该超弹性合金各主元成分按原子百分比含量如下:Ni 28~40%,Co 10~20%,Al 10~16%和W1~10%,以及一些不可避免的杂质,其余为Fe,总含量100%。一种Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金及其制备方法:对 Fe-Ni-Co-Al-W合金进行熔炼、变形、热处理工艺处理。其中变形工艺包括热轧和冷轧;热处理工艺包括固溶和时效处理。本发明工艺简单、易于操作,可用于不同形状Fe-Ni-Co-Al-W 超弹性合金其制备;本发明还有利于控制纳米析出相的析出量和大小,易于得到具有优良超弹性和阻尼性能的Fe-Ni-Co-Al-W超弹性合金。
Claims (6)
1.一种具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金,其特征在于,该超弹性合金各主元成分按原子百分比含量如下:Ni 28~40%,Co 10~20%,Al 10~16%和W1~10%,以及一些不可避免的杂质,其余为Fe,总含量100%,该超弹性合金的制备方法:对Fe-Ni-Co-Al-W合金进行熔炼、变形、热处理,其中变形工艺包括热轧和冷轧;热处理工艺包括固溶和时效处理。
2.一种权利要求1所述的具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比,选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钨经熔炼成合金铸件;
(2)均匀化;
(3)轧制;
(4)热处理。
3.根据权利要求2所述的具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述熔炼成型过程在真空或惰性气体保护中进行,熔炼过程当中需要将金属溶液充分混合以保证成分足够均匀。
4.根据权利要求2所述的具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述合金均匀化过程中,需要将铸件加热到900~1300℃保温1~10h。
5.根据权利要求2所述的具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述轧制过程首先在步骤(2)中所述均匀化的温度下进行变形量0%~70%的热轧,待冷却至室温后再进行变形量≥80%的冷轧。
6.根据权利要求2所述的具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-W合金的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述热处理包括固溶和时效处理,固溶和时效的工艺为:在800~1300℃下固溶处理0~20h,待到室温后,再在500~700℃时效处理0.5~100h。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211029 |
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